定向运动练习对大学生空间定向能力的影响：来自行为学和fNIRS的证据

摘      要：探讨定向运动练习对大学生空间定向能力的影响及其脑机制，为提升人的空间认知能力提供新途径和科学依据。以48名大一学生为研究对象，随机分为实验组和对照组，对实验组进行8周定向运动练习干预，采用功能性近红外光谱成像系统（fNIRS）记录被试者大脑氧合血红蛋白（Oxy-Hb）浓度变化，分析被试者干预前后空间定向认知任务的行为表现及神经机制。结果表明：（1）定向运动练习显著提升练习者空间定向认知任务的正确率且显著优于对照组。（2）在空间定向任务中，实验组左侧腹外侧前额叶（L-VLPFC）和左侧背外侧前额叶（L-DLPFC）的Oxy-Hb激活显著降低且低于对照组。（3）实验组腹外侧前额叶（VLPFC）的Oxy-Hb浓度与正确率显著相关。研究认为，定向运动练习可以有效改善练习者的空间定向认知能力，且空间定向能力的改善效益与大脑前额叶皮层激活程度有关。定向运动练习改善练习者空间定向能力的脑机制可能是通过改变练习者的空间认知加工模式，从而促进其脑神经活动的优化。

关  键  词：定向运动；认知功能；空间定向；功能性近红外光谱成像系统

中图分类号：G826    文献标志码：A    文章编号：1006-7116（2024）05-0135-08

The effect of orienteering exercises on the spatial orienteering ability for college students： Evidence from the behavioral science and fNIRS

Abstract： To investigate the impact of orienteering exercise on college students' spatial orientation ability and its brain mechanism， so as to provide new approaches and scientific evidence for enhancing human spatial cognitive ability. A total of 48 freshmen were recruited and randomly divided into an experimental group and a control group. The experimental group underwent an 8-week orienteering exercise intervention， and the functional near-infrared spectroscopy （fNIRS） system was used to record changes in the concentration of oxyhemoglobin （Oxy-Hb） in the subjects' brains， and the behavioral performance and neural mechanisms of spatial orientation cognitive tasks for subjects before and after the intervention were analyzed. Results showed that （1） orienteering exercise significantly improved the accuracy of spatial orientation cognitive tasks in the participants， and also significantly outperforming the control group. （2） During spatial orientation tasks， the Oxy-Hb activation in the left ventrolateral prefrontal cortex （L-VLPFC） and left dorsolateral prefrontal cortex （L-DLPFC） for the experimental group was significantly reduced， and lower than that of the control group. （3） The Oxy-Hb concentration in the ventrolateral prefrontal cortex （VLPFC） for the experimental group was significantly correlated with accuracy. The conclusion suggests that orienteering exercise can effectively improve the spatial orientation cognitive ability of participants， and the benefit of improved spatial orientation ability is related to the activation level of the prefrontal cortex. The brain mechanism underlying the improvement of spatial orientation ability through orienteering exercise may involve changes in the spatial cognitive processing patterns of participants， and thereby promoting the optimization of brain neural activity.

Keywords： orienteering；cognitive function；spatial orientation；functional near-infrared spectroscopy （fNIRS）

空间认知能力是人的基本认知能力[1]，是产生、搜索、保持和处理视觉空间信息的能力，在人们的日常生活中具有不可或缺的作用。如运动、寻路和科学技术及数学领域[2]，能够帮助人们在不同的空间环境中认识自己的位置和方向，并在往返于不同地点时保持空间感[3]。关注个体空间能力的改善，探索提升空间认知能力的有效手段已经成为多学科领域研究者关注的前沿热点[4]。

空间定向是指个体在所处环境中正确辨识方向的空间认知能力[5]，帮助个体正确辨认自己所在位置与周围环境的关系以及相互间的空间关系，是人对自己在空间的位置和运动方向的判断及再认[6]。日常生活中，人们常常借助地图或导航系统完成寻路任务，当地图与环境不一致时需借助指南针或地图与实景信息进行匹配，从而完成空间定向、明确前进方向[7]。空间定向认知过程是由视觉、前庭觉、本体感觉及感觉通道传来的空间信息，经过大脑加工处理形成的。有研究发现空间定向能力与个体的心理旋转、地图认知和图景表征能力显著相关[8]。因此，本研究以三维场景为原图、不同方向的二维地图为选择项，设计空间定向测试任务，考察个体判断不同方向地图与现实场景匹配的空间定向能力。

研究表明，体育锻炼与认知方面之间存在正相关关系[9]，体育锻炼对青少年以及老年人空间认知能力的形成和增强有着促进作用[10-11]。脑可塑性假说提出，心理现象都是以大脑的活动为基础的，运动产生的认知改善是运动引起脑激活模式改变的结果[12-13]。现有关于空间定向能力的改善多以老年人或脑部受损的患者为研究对象[14]，而大学生处于成年早期，脑可塑性仍有发展空间。此外，不同运动方案对空间定向能力的提升也可能存在差异[15-17]。这提示，选择适合个体空间定向能力改善的运动方式十分必要。定向运动是一项借助于地图和指北针导航在最短时间内完成比赛的有氧运动项目[18-19]。在定向运动过程中，参赛者需要在环境中不断地变换方位并且寻找正确行进方向从而到达目标地，完成比赛任务。相较于其他运动项目，定向运动员具有较强的空间智能优势，具体表现为空间定向能力、空间旋转能力等[20]。宿凯娟[21]、鲍圣彬等[22]对中班幼儿园的儿童进行定向运动练习，发现定向运动对儿童的空间定向能力有着较好的促进作用。目前相关研究多为行为学效益的分析，普遍缺乏改善机制的探索，而揭示定向运动项目对个体空间定向能力的影响效果及脑机制，能够为提升个体空间能力提供新的科学依据与干预路径。

近年来功能性近红外光谱成像系统（fNIRS）在运动领域的应用越来越广泛，在篮球[23]、太极拳[24]、乒乓球[25]和有氧运动[26]等方面都有一定的进展与突破，具有可移动性且没有噪音、操作与维护也很便捷、很少被受试者限制、适用范围广等优势。前额叶（PFC）在认知过程中扮演着重要角色，有研究证实在空间定向任务与大脑皮质的前额叶的功能相关[27-28]。PFC是接收来自大脑其他功能区的经过处理的外部信息，然后整合记忆、意图等大脑信息立即作出合理的计划区域[29]，背外侧前额叶（DLPFC）和腹外侧前额叶（VLPEC）作为PFC的主要功能区，在与运动认知相关的脑功能中发挥着重要作用，并对于空间定向判断等定向任务具有重要意义。所以基于已有研究，本研究选取DLPFC和VLPEC作为兴趣区（Region of interesting，ROI）进行探究定向运动练习对大学生空间定向能力的影响，从大脑认知的角度探求定向运动对空间定向能力的影响机制，同时提出以下研究假设：（1）定向运动练习能有效改善练习者的空间定向能力；（2）受试者在空间定向任务中的行为表现与前额叶脑血氧浓度之间存在相关性，表现出激活区域的差异。

1  研究对象与方法

1.1  研究对象

招募大一学生48人（男24、女24），随机分为实验组24人（男12、女12），年龄（18.16±1.01）岁，对照组24人（男12、女12），年龄（18.63±0.68）岁，两组年龄无显著性差异（P＞0.05）。所有受试者裸眼视力或矫正视力正常，皆为右利手，无精神疾病史，能够熟知键盘按键位置，均未参加过类似实验，实验前均征得受试者同意。该研究已得到陕西师范大学伦理委员会批准。

1.2  实验设计及流程

1）实验设计。

本研究采用2（组别：实验组、对照组）×2（时间：前测、后测）的双因素混合实验设计。实验前让受试者填写基本情况调查表，记录受试者的性别、年龄等基本情况。在实验前受试者熟悉环境和实验相应要求，知悉注意事项，实验时每个受试者单独进行测试。要求受试者在测试之前保证充足睡眠以及头部清洁，并在实验前一天不进行剧烈运动。

2）定向运动干预方案。

结合定向运动练习可改善定向运动练习者的各项空间能力，以及定向运动专项练习的特点，设计8周定向运动干预方案。定向运动练习分为两部分，第一部分1～4周通过不同难度的方位定向训练，锻炼练习者方向辨别和空间定位能力（见表1）。第二部分5～8周结合定向运动地图进行地图符号识别和图景识别训练，锻炼练习者认知地图和图景表征能力。在课堂中通过Firstbeat可穿戴监控系统实施心率监测[30]，运动中平均强度控制在中等强度心率范围（120～140 次/min）[31]。

实验组24名同学进行为期8周、每周2次（60min/次）的定向运动专项训练，同时对照组24名同学进行其他体育项目练习。为确保实验变量的控制，运动干预方案的实施严格按照训练计划进行练习，确保受试者没有在其他时间进行定向运动练习。